Linux线程同步(互斥量、信号量、条件变量、生产消费者模型)
为什么要线程同步？
- 线程间有很多共享资源，都对一个共享数据读写操作，线程操作共享资源的先后顺序不确定，可能会造成数据的冲突
看一个例子
两个线程并行对全局变量count++ (采用一个val值作为中间变量，模拟寄存器工作方式，后面会详解)
#include
#include
#include
#define NLOOP 5000 //循环次数
int count = 0;//全局资源
void* func(void* p)
{
int i,val;
for (i = 0; i < NLOOP; i++)
{
val = count;
printf("count = %d\n",val+1);
count = val + 1;
usleep(100);//减缓线程执行速度，增加资源冲突概率
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tidA, tidB;
pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//线程A 对count++
pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//线程B 对count++
sleep(1);
pthread_join(tidA, NULL);
pthread_join(tidB, NULL);
return 0;
}
第一次执行结果
第二次执行结果
第三次执行结果
一段代码执行三次出现不同的结果，这是为什么？就是因为两个线程同时对共享资源进行操作，导致CPU处理共享资源出现错误
寄存器处理数据+1操作一般分为三步
- 从内存读变量值到寄存器
- 寄存器的值加1
- 将寄存器的值写回内存
假设变量值为5
那么CPU执行线程A，将变量读到寄存器中，寄存器的值+1（正在加，此时值还为5），同时线程B将变量从内存中读走（值也为5），线程A将寄存器值写回变量（此时值为6），之后线程B处理完写回变量（此时值还是为6）
那么怎么解决这种情况发生？
一、互斥量
- 互斥量是pthread_mutex_t类型的变量。
- 互斥量有两种状态：lock（上锁）、unlock（解锁）
- 当对一个互斥量加锁后，其他任何试图访问互斥量的线程都会被堵塞，直到当前线程释放互斥锁上的锁。如果释放互斥量上的锁后，有多个堵塞线程，这些线程只能按一定的顺序得到互斥量的访问权限，完成对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁，否则其他线程将一直处于阻塞状态。
简单理解为：
超市中的储存柜，当有人使用储存柜后，其他人使用不了，只能等待使用者使用完，再使用
互斥量操作原语
- 创建锁可以通过直接定义锁，或者调用初始化锁函数，二选一
#include
//pthread_mutex_t是锁类型，用来定义互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//互斥锁的初始化
//restrict，C语言中的一种类型限定符，用于告诉编译器，对象已经被指针所引用，不能通过除该指针外所有其他直接或间接的方式修改该对象的内容。 第二个参数一般为NULL
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
//上锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//判断是否上锁
//返回值：0表示已上锁，非0表示未上锁。
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
//解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//销毁互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
对之前的例子加上互斥量
#include
#include
#include
#define NLOOP 5000 //循环次数
int count = 0;//全局资源
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定义锁
void* func(void* p)
{
int i, val;
for (i = 0; i < NLOOP; i++)
{
pthread_mutex_lock(&counter_mutex);//上锁
val = count;
printf("count = %d\n", val + 1);
count = val + 1;
pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);//解锁
usleep(100);//减缓线程执行速度，增加资源冲突概率
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tidA, tidB;
pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//线程A 对count++
pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//线程B 对count++
sleep(1);
pthread_join(tidA, NULL);
pthread_join(tidB, NULL);
return 0;
}
不管怎么执行，结果都是10000次
死锁的情况
- 同一个线程已拥有A锁的情况下，再次请求获取A锁，导致线程阻塞
解决方法：使用完资源后立刻解锁 - 线程一拥有A锁，再次请求获取B锁，同时线程二拥有B锁，请求获取A锁，导致线程阻塞
解决方法：当拥有锁的情况下，请求获取另外一把锁失败时，释放已拥有的锁
二、条件变量
- 条件变量就是一个变量，用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。
- 条件变量是用来等待事件
- 通常条件下变量和互斥锁同时使用。
条件变量操作原语
#include
//全局定义条件变量
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
//初始化条件变量
//cond参数为条件变量指针，通过该函数实现条件变量赋初值；cond_attr参数通常为NULL
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
//销毁条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
//自动释放mutex锁，等待条件满足
//这个函数的过程我们必须了解，首先对互斥锁进行解锁；然后自身堵塞等待；当等待条件达成，注意这时候函数并未返回，而是重新获得锁并返回。
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
//自动释放mutex锁，等待条件满足，如果在abstime时间内还没有满足，则返回错误
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
//让等待条件满足的线程中某一个被唤醒
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
//让等待条件满足的线程中全部被唤醒 (广播)
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
生产者消费模型
流程
首先消费者需要访问共享资源首先要去拿到锁访问条件变量，条件变量说现在还没有资源，所以消费者释放锁，阻塞等待，直到生产者生产出资源后，将资源先放到公共区后，再告诉条件变量，现在有资源了，然后条件变量再去唤醒阻塞线程，这些阻塞的线程被唤醒后需要去挣抢锁，先拿到锁的线程优先访问共享资源
实例
#include
#include
#include
typedef struct msg {
struct msg *next;
int num;
}MSG_T;
MSG_T *head;//消息头结点
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥锁
//pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //条件变量 本文通过init定义条件变量
pthread_cond_t mycond;
//生产者
void *producer(void *p)
{
MSG_T* mp;
for (;;) {
mp = malloc( sizeof(MSG_T) );
mp->num = rand() % 1000 + 1;//生成随机数1到1000
printf("Produce %d\n", mp->num);
//将资源放入公共区
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
head = mp;
pthread_mutex_unlock(&lock);
//通知条件变量唤醒线程
pthread_cond_signal(&mycond);
sleep(rand() % 5);
}
}
//消费者
void *consumer(void *p)
{
MSG_T* mp;
for (;;) {
pthread_mutex_lock(&lock);//上锁
while (head == NULL)//当没有数据时，wait阻塞等待
pthread_cond_wait(&mycond, &lock);//当没有拿到锁的时候 释放锁并等待
mp = head;
head = mp->next;
pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁
printf("Consume %d\n", mp->num);
free(mp);
sleep(rand() % 5);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
if (pthread_cond_init(&mycond, NULL) != 0)
{
printf("cond error'\n");
exit(1);
}
srand(time(NULL));//加入随机因子
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}
运行结果
三、信号量
- 信号量分为有名信号量和无名信号量，这里主要介绍无名信号量，用于线程同步，有名信号量一般是用于进程之间管理。
- 信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问，也被称为PV原子操作
- P操作，即信号量sem减一的过程，如果sem小于等于0，P操作被堵塞，直到sem变量大于0为止。P操作即加锁过程。
- V操作，即信号量sem加一的过程。V操作即解锁过程。
简单理解：
假设现在有五把钥匙，当有人拿走一把后（P操作），就剩4把钥匙，直到钥匙被拿完，后面的人需要等待，直到使用者将钥匙归还（V操作）
信号量操作原语
#include
//初始化
//sem: 要进行初始化的信号量对象
//pshared：控制着信号量的类型，如果值为0，表示它是当前进程的局部信号量；否则，其他进程就能够共享这个信号量
//value：赋给信号量对象的一个整数类型的初始值调用成功时 返回 0；
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned value);
//p操作 -1
int sem_wait(sem_t *sem);
//v操作 +1
int sem_post(sem_t *sem);
//销毁信号量
int sem_destory(sem_t *sem);
信号量的生产消费者模型
#include
#include
#include
#include
#define NUM 5
int queue[NUM];//定义一个环形队列
sem_t blank_number, product_number;//定义两个信号量
//生产者
void *producer(void *arg)
{
int p = 0;
while (1) {
sem_wait(&blank_number);//信号量blank_number--，可以比喻成盘子（最多5个盘子）盘子数量-1，
queue[p] = rand() % 1000 + 1;//产生随机数
printf("Produce %d\n", queue[p]);
sem_post(&product_number);//信号量product_number++ ，比喻成菜，现在菜的数量+1 消费者可以使用
p = (p + 1) % NUM;//队列下标偏移
sleep(rand() % 5);
}
}
//消费者
void *consumer(void *arg)
{
int c = 0;
while (1) {
sem_wait(&product_number);//信号量product_number--，现在菜的数量-1
printf("Consume %d\n", queue[c]);
queue[c] = 0;//清空当前下标队列
sem_post(&blank_number);//信号量 blank_number++，资源使用完了 盘子数量+1
c = (c + 1) % NUM;//队列下标偏移
sleep(rand() % 5);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
sem_init(&blank_number, 0, NUM);//值为5
sem_init(&product_number, 0, 0);//初始值为0
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
sem_destroy(&blank_number);
sem_destroy(&product_number);
return 0;
}
运行结果
